Reducción de presión y cavitación: respuestas a sus preguntas

La optimización de los valores de presión y caudal es una parte integral del diseño de sistemas de riego. Con fluctuaciones constantes y a menudo drásticas en el caudal de demanda y la presión de suministro, las válvulas y otros componentes deben garantizar un control dinámico de presión y caudal en todo el sistema.

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En el seminario web de BERMAD, “Reducción de presión y prevención de cavitación en sistemas de riego”, nuestro Gerente Global de la Unidad de Riego, Yiftah Enav, presentó los principios, métodos, sistemas y soluciones de BERMAD para la reducción de presión y la prevención de cavitación. Yiftah compartió valiosos conocimientos sobre cómo seleccionar las válvulas reductoras de presión (PRVs) más eficaces para un rendimiento a largo plazo y ahorro de costos. 

Durante el seminario web, se abordaron preguntas relacionadas con la teoría de la cavitación, erosión, velocidad, ΔP y la práctica de seleccionar, combinar y asignar eficazmente válvulas reductoras de presión:

P: ¿Cuál es la diferencia entre las válvulas reductoras de presión y las válvulas reductoras de presión proporcional?

A: Las válvulas reductoras de presión (PRVs) son ajustables y están configuradas para reducir de manera continua una presión aguas arriba más alta a una presión aguas abajo constante y más baja, independientemente de los cambios en la presión aguas arriba y/o el caudal de demanda.

Válvulas reductoras de presión proporcional (PPRVs) no incluyen piloto y, por lo tanto, no son ajustables. Basadas en la relación entre las áreas efectivas de su diafragma y cierre, las PPRVs reducen continuamente una presión aguas arriba más alta a una presión aguas abajo más baja en una relación constante.

Sólo las válvulas de doble cámara pueden funcionar como PPRV.

P: ¿Para todos los tamaños, el factor de reducción de PD es 2.5?

A: El factor de reducción PD es 2.5 en la mayoría de las series y tamaños; sin embargo, el factor de reducción puede variar y se puede consultar en nuestro sitio web, listas de precios y páginas de productos relevantes. Consulte la tabla de relación de reducción correspondiente para cada tamaño de válvula y cada serie de válvulas (100, 700).

P: ¿Podemos utilizar válvulas reductoras de presión para reducir la presión estática? ¿Puede una VRP funcionar en condiciones sin flujo?

R: Sí. Cuando el caudal de demanda cae a cero, momentáneamente el caudal que llega a la línea a través de la VPR es mayor que el caudal de salida de la línea (que es cero). Como resultado, la presión se acumula y aumenta ligeramente en la línea aguas abajo de la VPR. El piloto de la VPR detecta una presión por encima del ajuste y cierra la VPR, «intentando» reducir la presión al valor ajustado. Como el caudal es cero (punto muerto), incluso cuando la válvula está completamente cerrada y hermética, la presión permanecerá ligeramente por encima del ajuste (suponiendo que no haya fugas), asegurando que la VPR permanezca cerrada.

P: Se ha afirmado que no siempre es posible que la Válvula Reductora de Presión (PRV) mantenga la presión P2 cuando el caudal se detiene repentinamente, en comparación con una PRV de acción directa. Para este propósito, se requiere una válvula de alivio de presión aguas abajo de la PRV. ¿Cuál es su respuesta a esta afirmación?

A: Las válvulas reductoras de presión de acción directa pueden ser más rápidas que las hidráulicas, pero son claramente inferiores en cuanto a pérdida de carga, funciones adicionales (incluso cierre/apertura), sensibilidad, precisión, mantenimiento y, aun así, requieren una válvula de alivio de presión para proteger el sistema en caso de que las DPRV se traben o no sellen correctamente.

Para acelerar el tiempo de respuesta, se puede añadir un piloto de presión aguas abajo o, preferentemente, utilizar una válvula reductora de presión de doble cámara.

P: Ajustamos la Válvula Reductora de Presión (PRV) en P1 para mantener el P2 requerido. En esta condición, P1 es según el diseño (teóricamente), pero en realidad P1 varía debido a la operación parcial del área, variación en la demanda, operación de la bomba o fugas. ¿Cuál es la presión P2 durante esta condición? ¿Cambia (aumenta)? ¿Es necesario ir nuevamente al sitio para ajustar la presión o se mantiene automáticamente la presión P2? Además, ¿qué sucederá con el caudal durante la variación si P1 cambia?

A: Las válvulas reductoras de presión son controladas de forma continua por un piloto reductor de presión que solo detecta P2. Las variaciones en la demanda y/o en P1 que afectan a P2 son detectadas de inmediato por el piloto, lo que provoca que sus dispositivos internos cambien de posición y estrangulen instantáneamente la válvula cerrándola (@ aumento de P2) o abriéndola (@ caída de P2) para alcanzar el ajuste del piloto.

El caudal es determinado por los emisores y salidas del sistema, no por la válvula reductora de presión (PRV). De hecho, la PRV ajusta automáticamente su grado de apertura según la demanda real (& P1), logrando que no esté “demasiado abierta” ni “demasiado cerrada” para mantener siempre la presión P2 establecida.

P: ¿Cuáles son las diferencias prácticas entre las PRV con controles de dos vías y de tres vías?Dado que un circuito de tres vías está ventilado a la atmósfera, ¿afectará la estabilidad de regulación de una válvula accionada por diafragma?

A: Un circuito de tres vías se caracteriza porque el piloto “selecciona” la ruta del agua: P1 a control (cerrando) o control a venteo (abriendo). Esto permite utilizar un volumen muy pequeño de agua de control y da como resultado dos comportamientos diferentes:

• Histéresis (ya que se necesita que ocurra un cierto cambio para que los pasos en el piloto “conmuten”), lo que se considera menos sensible, pero en pilotos de alta calidad es lo suficientemente pequeña. La histéresis en sí a veces es esencial para eliminar la inestabilidad de la presión en la línea, ya que “rompe” la cadena de reacción en el sistema.
• Totalmente abierta ante una caída de presión (ya que el piloto está ventilando, “anulando” todas las fuerzas de cierre), lo que permite ahorrar energía. La ventilación a la atmósfera a veces provoca una apertura excesivamente rápida, resultando en inestabilidad. Esto puede solucionarse fácilmente aplicando un gotero u otra restricción en el extremo del tubo de ventilación.

 

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P: ¿Cuál es la pérdida de presión +/- a través de un circuito de control de 2 vías?

A: Un circuito de dos vías se caracteriza por un flujo continuo desde P1 a través de una restricción hacia la cámara de control, mientras que el piloto “conecta” la cámara de control con el lado aguas abajo de la válvula, liberando la presión de la cámara mientras la válvula está abierta. Esto genera un volumen relativamente alto de agua de control (0,2-0,5 m³/h; 0,9-2,2 gpm) y resulta en sensibilidad al agua sucia con los siguientes comportamientos hidráulicos:

• Histéresis casi nula, ya que el recorrido requerido del piloto para aumentar (abrir) o disminuir (cerrar) el caudal de descarga es insignificante y, por lo tanto, inmediato. Si bien esto es una ventaja, a veces resulta demasiado sensible y provoca oscilaciones.
• Pérdida de carga adicional (3-5 m; 4.4-7 psi) generada debido a la fuerza del resorte + P2 en la cámara de control. Esta pérdida de carga adicional desaparece cuando la velocidad de flujo de la válvula supera ~2 m/s; 6.6 f/s y la fuerza de apertura de la válvula (debido a ΔP) excede la fuerza del resorte de la válvula principal.

P: ¿Cuáles son los criterios de dimensionamiento para la restricción de entrada del circuito en el control de dos vías?

A: La restricción de control de dos vías debe ser menor que el paso de agua del piloto para permitir una regulación estable y precisa, junto con la menor pérdida de carga adicional posible y un tiempo de reacción suficiente. Podemos decir que el criterio es el tamaño del paso de agua en el piloto, el cual está relacionado con el tamaño de la válvula.

P: ¿Para qué tipo de aplicaciones se pueden utilizar las válvulas reductoras de presión proporcional?

A: Líneas de gravedad descendente y/o cuando la ΔP requerida es alta y se necesita una reducción de presión en dos etapas para proteger las válvulas de la erosión y la cavitación, y proporcionar protección de respaldo al sistema.

P: Al suministrar agua cuesta abajo desde un embalse de regulación hacia varios pequeños tanques de riego (es decir, descarga directa a la atmósfera como se explicó en el caso de los tanques rompe-presión), ¿qué tipos de válvulas reductoras de presión (PRV) se pueden utilizar? ¿Podría arrojar algo de luz sobre esto?

A: La solución recomendada para reemplazar los tanques de ruptura de presión (PBT) es aplicar válvulas reductoras de presión proporcionales (PPRV), que ofrecen los siguientes beneficios:

• Sin válvulas de control de nivel
• Infraestructura rentable
• No hay presión “0” aguas abajo
• Respuesta inmediata – doble cámara
• Sin mantenimiento – sin pilotos, restricciones ni filtros
• Sin contaminación

Sin embargo, como la relación de reducción de la PPRV es constante, cuando la presión aguas arriba disminuye debido a la pérdida de carga por fricción en la línea, también lo hace la presión aguas abajo. Dado que el caudal de demanda de riego varía, necesitamos ubicar las PPRV en función de las diferencias de elevación (presión máxima aguas arriba) y de la carga real a caudal/fricción máxima (presión mínima aguas arriba). Como cada PPRV determina la presión para la siguiente PPRV, el cálculo de diseño es algo desafiante. BERMAD desarrolló un archivo de Excel para considerar todos los parámetros como herramienta de apoyo al diseño.

P: ¿Qué restricciones deben usarse para las PPRV?
R: Las PPRV no requieren ninguna restricción.

P: ¿Se puede diseñar una válvula reductora de presión tomando el caudal como variable en lugar de la presión de salida como variable? ¿Podemos utilizar una válvula limitadora/controladora de caudal como opción para una válvula reductora de presión en algunos casos, como en una línea por gravedad?

A: Se deben considerar varios aspectos en relación con la presión y el caudal en las válvulas reductoras de presión:

• Las válvulas reductoras de presión sólo sensan la presión aguas abajo (P2). El caudal está determinado por el consumo de agua del sistema aguas abajo de la PRV (emisores, depósitos, poblaciones, etc.). Si el caudal demandado aumenta y P2 disminuye, la PRV “intentará” aumentar P2 hasta el valor de ajuste abriéndose (permitiendo mayor caudal). Si el caudal demandado disminuye y P2 aumenta, la PRV cerrará para reducir P2 al valor de ajuste (permitiendo menor caudal).
• Se puede convertir la PRV en una Válvula de Control de Caudal (FCV) o agregar una función de control de caudal a una PRV, convirtiéndola en una válvula reductora de presión y control de caudal.
• La FCV es muy similar a la PRV, pero en lugar de sensar la P2, el piloto de la FCV detecta ΔP o ΔF (que es la “expresión” hidráulica del caudal) a través de una placa de orificio, un tubo de Pitot o una paleta ubicada dentro del flujo. Si la demanda supera el ajuste (incluso cuando la presión es baja), el aumento de la velocidad del flujo incrementará ΔP o ΔF y la FCV se cerrará de forma modulante para limitar el caudal al valor ajustado.
  

  

• Agregar una función de control de caudal a una válvula reductora de presión (PRV), convirtiéndola en una válvula reductora de presión y control de caudal, significa que tenemos dos pilotos diferentes en la misma válvula. Uno controla el caudal en función de la detección de ΔP o ΔF a través de
• una placa de orificio, un tubo Pitot o una paleta; el otro detecta P2 y controla la válvula en consecuencia.
  

  Si la demanda aumenta y P2 disminuye, el piloto limitador de caudal tomará el control para limitar el caudal al valor ajustado. Si la demanda disminuye, el piloto de caudal permite que la válvula se abra. Si P2 aumenta, debido a un incremento de P1 o a una disminución de la demanda, el piloto reductor tomará el control y regulará el cierre de la válvula.

  
  

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• Cuando el piloto limitador de caudal está en control, la válvula se cierra, lo que provoca que P2 caiga a veces por debajo del ajuste del piloto reductor, el cual no domina la válvula y no puede aumentar P2 mientras la demanda esté por encima del ajuste del piloto limitador de caudal. Por esa razón, se recomienda ajustar el piloto limitador de caudal entre un 15-20% por encima del caudal nominal de la línea.

P: Instalamos cuatro válvulas en la entrada del chak (bloque principal) donde la presión de entrada (P1) es de 60 m y las 4 válvulas de sub-chak (parcela) tienen diferentes requerimientos de presión (P2) (es decir, P2 para la Válvula 1 = 35 m, Válvula 2 = 25 m, Válvula 3 = 45 m, Válvula 4 = 50 m). La longitud, el diámetro y la elevación de la tubería de distribución del sub-chak varían, pero se requiere el mismo caudal al final de la salida de cada sub-chak. Entonces, ¿podemos mantener el mismo caudal al final de la salida del sub-chak cuando P1 es constante pero P2 varía?

R: La respuesta depende de si el riego es presurizado y se realiza mediante goteo, aspersores o jets (cualquier emisor con caudal conocido), o si se trata de riego por inundación donde el extremo de la tubería de distribución está abierto a la atmósfera.

• En el riego presurizado por goteo (MIS), el caudal se determina por la suma acumulada del caudal de todos los emisores de los sub-chaks y se mantiene mientras P2 esté conforme al diseño y no se haya producido ninguna rotura.
• En el riego por inundación, la reducción de presión es irrelevante ya que el extremo de la línea está abierto. La solución adecuada es una válvula de control de caudal, que dejará baja presión en la línea de distribución (pérdida por fricción a un caudal dado + elevación).

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P: ¿Podemos cambiar de forma remota el ajuste de la VPR para presión y caudal?

A: Las válvulas reductoras de presión (y todas las válvulas de control hidráulico) pueden aceptar dos pilotos ajustados a diferentes presiones. Instalar un solenoide para “seleccionar” entre los pilotos permitirá cambiar de forma remota entre los regímenes de presión.

Otras opciones requieren agregar dispositivos al piloto para permitir el ajuste remoto dinámico. Esto también requerirá controladores especiales para habilitar el control analógico.

P: ¿Cuál es el rango óptimo de recorrido de la válvula en las válvulas hidráulicas reductoras de presión?

A: En algún punto entre el 15% y el 30% dependiendo del tipo de válvula, la presión y las condiciones de caudal, el tiempo anual de operación y otros factores. Aplicar un tapón en V obliga a la válvula reductora de presión (PRV) a abrirse más para manejar mejor los caudales bajos. Esto permite que la PRV esté aproximadamente un 15% abierta incluso cuando la velocidad del caudal baja a ~0,5 m/s.

P: En una red de distribución con bombeo directo, ¿cómo responderá la válvula reductora de presión (PRV) cuando ocurra un corte de energía y la presión aguas arriba aumente repentinamente? ¿Podrá mantener la presión P2 aguas abajo?

A: Esto es complejo, ya que los cortes de energía son eventos con múltiples escenarios. Suponiendo que la pregunta se refiera a una válvula reductora de presión (PRV) en una de las salidas de una línea principal que conecta la bomba con un depósito, podemos esperar que la PRV se abra cuando la presión disminuya debido a una onda negativa. En este caso, probablemente no cerrará lo suficientemente rápido como para mantener P2 si se produce una onda positiva.

P: ¿Se puede utilizar la válvula de la serie 400 (cámara simple, tipo globo) para aplicaciones de reducción de presión? Si es así, ¿será más propensa a la cavitación en comparación con las válvulas tipo Y (series 100 y 700)?

A: La serie 400 puede utilizarse para aplicaciones de reducción de presión. De hecho, la mayoría de las aplicaciones de válvulas reductoras de presión metálicas en riego se realizan con la Serie IR-400 u otras válvulas de una sola cámara. La Serie IR-400 no incluye un asiento elevado, lo que las hace menos resistentes al daño por cavitación que la Serie IR-100, debido a que está fabricada en material compuesto, y que la Serie IR-700, que incorpora un asiento elevado de acero inoxidable. El diseño en Y también contribuye a una mejor resistencia a la cavitación y un rendimiento de caudal aproximadamente un 25% superior en comparación con las válvulas tipo globo estándar.